DE102009046858B3

DE102009046858B3 - Leistungshalbleitermodul und Verfahren zum Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls

Info

Publication number: DE102009046858B3
Application number: DE102009046858A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. Hartung; Dirk Dr. Siepe
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2011-05-05
Anticipated expiration: 2029-11-20
Also published as: US9129934B2; CN102136469A; CN102136469B; US20110115068A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul (100) mit einem Leistungshalbleiterchip (8), der auf einer Metallisierungsschicht (22) eines Isolationsträgers (20) angeordnet ist. An die dem Schaltungsträger (2) abgewandte Seite des Leistungshalbleiterchips (8) ist an einer Verbindungsstelle (8c) ein Anschlussleiter (85) gebondet. Eine Vergussmasse (5) erstreckt sich vom Schaltungsträger (2) zumindest bis über die dem Schaltungsträger (2) abgewandte Seite (2) des Leistungshalbleiterchips (8) und überdeckt diese vollständig. Außerdem umschließt sie den Anschlussleiter (85) zumindest im Bereich der Verbindungsstelle (8c). Die Vergussmasse weist nach DIN ISO 2137 bei einer Temperatur von 25°C eine Penetration von kleiner oder gleich 30 auf. Beim Betrieb des Leistungshalbleitermoduls wird der Leistungshalbleiterchip (8) für eine Dauer von wenigstens 20 Sekunden bei einer Sperrschichttemperatur von nicht weniger als 150°C betrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleitermodul. Die in Leistungshalbleitermodulen verbauten Leistungshalbleiterchips werden häufig bei sehr hohen Temperaturen betrieben. Im Lauf der Weiterentwicklung der Leistungshalbleiterchips steigen die zulässigen Sperrschichttemperaturen im weiter an. Hierdurch entsteht die Problematik, dass sich eine sehr weiche Vergussmasse, z. B. ein Silikongel, die in das Leistungshalbleitermodul eingefüllt ist, von anderen Komponenten des Moduls wie z. B. Leistungshalbleiterchips, Anschlussleitern usw., die in die Vergussmasse eingebettet sind, im Lauf der Zeit unter Ausbildung von Hohlräumen oder Rissen ablöst. Hierdurch kann die Isolationsfestigkeit des Moduls beeinträchtigt werden.
Au der US 6,545,364 B2 ist ein elektrischer Schaltkreis mit einer Leiterbahnstruktur bekannt, auf der ein Halbleiterchip angeordnet ist. Auf seiner der Leiterbahnstruktur abgewandten Seite weist der Halbleiterchip eine Rückseitenmetallisierung auf. Ein erstes Ende einer metallischen Anschlussplatte aus Kupfer kontaktiert die Rückseitenmetallisierung mit Hilfe eines Lotes oder einer leitfähigen Paste. Das andere Ende der Anschlussplatte ist, ebenfalls Hilfe eines Lotes oder einer leitfähigen Paste, elektrisch leitend mit der Leiterbahnstruktur verbunden. Der Schaltkreis weist außerdem ein Isolationsharz auf, in das insbesondere die Leiterbahnstruktur eingebettet ist, das die Leiterbahnstruktur stützt, und das sich bis über die metallische Anschlussplatte hinaus erstreckt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Leistungshalbleitermodul mit einer Vergussmasse und einem Leistungshalbleiterchip bereitzustellen, bei dem auch bei hohen Betriebs- und/oder Lagertemperaturen die Ausbildung der genannten Hohlräume und Risse verhindert oder zumindest gegenüber herkömmlichen Leistungshalbleitermodulen verbessert wird. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls bei hohen Temperaturen bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein Leistungshalbleitermodul umfasst einen Leistungshalbleiterchip, einen Schaltungsträger, einen elektrischen Anschlussleiter, sowie eine Vergussmasse. Der Schaltungsträger weist einen Isolationsträger mit einer Oberseite auf, auf der eine Metallisierungsschicht angeordnet ist. Der Leistungshalbleiterchip ist auf der dem Isolationsträger abgewandten Seite der Metallisierungsschicht auf dem Schaltungsträger angeordnet. Auf seiner dem Schaltungsträger abgewandten Oberseite weist der Leistungshalbleiterchip eine Chipmetallisierung aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung auf, wobei die Dicke dieser Chipmetallisierung wenigstens 1 μm beträgt. Der Anschlussleiter ist an einer Verbindungsstelle mit der Chipmetallisierung verbunden. Die Vergussmasse erstreckt sich vom Schaltungsträger zumindest bis über die dem Schaltungsträger abgewandte Seite des Leistungshalbleiterchips und überdeckt diese vollständig. Außerdem umschließt sie den Anschlussleiter so, dass er an keiner Stelle frei liegt. Die Vergussmasse weist außerdem nach DIN ISO 2137 bei einer Temperatur von 25°C eine Penetration von kleiner oder gleich 30 auf.
Bei dem Verfahren zum Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls wird ein solches Leistungshalbleitermodul für eine Dauer von wenigstens 20 Sekunden bei einer Sperrschichttemperatur von nicht weniger als 150°C betrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
1 einen Vertikalschnitt durch ein mit einer Vergussmasse vergossenes Leistungshalbleitermodul;
2 einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines mit einer Vergussmasse vergossenen Leistungshalbleitermoduls, bei dem ein Leistungshalbleiterchip oberseitig mittels eines Bonddrahts elektrisch angeschlossen ist;
3 einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines mit einer Vergussmasse vergossenen Leistungshalbleitermoduls, bei dem ein Leistungshalbleiterchip oberseitig mittels eines Clips elektrisch angeschlossen ist;
4 einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines mit einer Vergussmasse vergossenen Leistungshalbleitermoduls, bei dem ein Leistungshalbleiterchip oberseitig mittels einer Anschlusslasche elektrisch angeschlossen ist; und
5 eine Draufsicht auf ein anderes Leistungshalbleitermodul mit abgenommenem Gehäusedeckel vor dem Vergießen mit einer Vergussmasse.
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung bezieht sich auf die begleiteten Zeichnungen, welche einen Teil der Beschreibung bilden, und in denen anhand konkreter Ausgestaltungen erläutert wird, auf welche Weise die Erfindung realisiert werden kann. Diesbezügliche Richtungsangaben wie z. B. ”oben”, ”unten”, ”vorne”, ”hinten”, ”vordere”, ”hintere” etc. wird in Bezug auf die Ausrichtung der erläuterten Figuren verwendet. Da die Elemente in den Ausgestaltungen in einer Vielzahl von verschiedenen Ausrichtungen angeordnet werden können, dient die richtungsgebundene Terminologie lediglich zur anschaulichen Erläuterung und ist in keiner Weise als beschränkend zu verstehen. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung auch andere Ausgestaltungen umfassen kann. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der verschiedenen, nachfolgend beschriebenen beispielhaften Ausgestaltungen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht ausdrücklich etwas anders erwähnt ist, oder sofern nicht die Kombination bestimmter Merkmale aus technischen Gründen unmöglich ist.
1 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul 100. Das Leistungshalbleitermodul 100 weist einen oder mehrere Leistungshalbleiterchips 8 auf, die beispielsweise als MOSFETs, IGBTs, JFETs, Dioden, Thyristoren oder beliebige andere Leistungshalbleiterbauelemente ausgebildet sein können.
Die Leistungshalbleiterchips 8 des Leistungshalbleitermoduls 100 sind auf einem oder mehreren Substraten 2 angeordnet, das bzw. die wiederum mittels einer Verbindungsschicht 42 fest mit einer optionalen, gemeinsamen Bodenplatte 1 des Leistungshalbleitermoduls 100 verbunden sind. Die Leistungshalbleiterchips 8 sind Halbleiterchips mit hohen Nennströmen und/oder hohen Nennspannungen. Beispielsweise können die Nennströme größer als 50 A oder größer als 75 A sein, die Nennspannungen größer als zum Beispiel 400 V. Zudem können die Leistungshalbleiterchips Grundflächen von beispielsweise mehr als 5,5 mm × 5,5 mm oder mehr als 7 mm × 7 mm aufweisen. Um die Leistungshalbleiterchips 8 elektrisch kontaktieren zu können, weisen sie auf ihrer dem betreffenden Substrat 2 abgewandten Oberseite eine obere Chipmetallisierung auf, sowie auf ihrer dem betreffenden Substrat 2 zugewandten Unterseite eine untere Chipmetallisierung. In 1 sind die obere und die untere Chipmetallisierung jedoch nicht im Detail dargestellt.
Jedes der Substrate 2 umfasst einen als flaches Plättchen ausgebildeten Isolationsträger 20, der auf seiner nachfolgend als Oberseite 20t bezeichneten oberen Hauptfläche mit einer oberen Metallisierung 22 und auf seiner nachfolgend als Unterseite 20b bezeichneten unteren Hauptfläche mit einer optionalen unteren Metallisierung 21 versehen ist. Die obere Metallisierung 22 ist strukturiert und weist dadurch voneinander beabstandete Leiterbahnen 221, 222, 223, 224, 225, 226 auf.
Die Leiterbahnen der oberen Metallisierung 21 können je nach Bedarf beliebig geformt sein. So können zumindest einige Leiterbahnen flächig ausgebildet sein oder einen flächigen Abschnitt aufweisen, so dass ein flächiger Abschnitt der oberen Metallisierung 22 vorliegt, auf dem ein oder mehrere der Leistungshalbleiterchips 8 mittels einer Verbindungsschicht 41 unter Ausbildung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem flächigen Abschnitt und einer unterseitigen Metallisierung des oder der betreffenden Leistungshalbleiterchips 8 befestigt werden können.
Als Verbindungstechniken zur Herstellung der Verbindungsschichten 42 und/oder 41 eignen sich z. B. Löten, Diffusionslöten, elektrisch leitendes Kleben. Ebenso geeignet ist Niedertemperatur-Drucksintern (NTV, LTJT). Es können für verschiedene Verbindungsschichten 41, und/oder für verschiedene Verbindungsschichten 42, 41 beliebige Verbindungstechniken in beliebigen Kombinationen miteinander eingesetzt werden.
Bei dem genannten Niedertemperatur-Drucksintern wird eine Paste mit Silber und einem Lösungsmittel zwischen die zu verbindenden Fügepartner eingebracht, also z. B. zur Herstellung einer Verbindungsschicht 41 zwischen einen Leistungshalbleiterchip 8 und die obere Metallisierung 22, oder zur Herstellung der Verbindungsschicht 42 zwischen die untere Metallisierung 21 und die Bodenplatte 1. Um eine besonders hohe Festigkeit der Verbindung zu erhalten ist es vorteilhaft, wenn die miteinander zu verbindenden Teile an ihren miteinander zu verbindenden Oberflächen jeweils eine Beschichtung aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung, z. B. aus Silber, Gold oder einer Gold-Silber-Legierung, aufweisen.
Die Fügepartner und die dazwischen befindliche Paste werden dann mit einem hohen Druck und in einem vorgegebenen Temperaturbereich in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre aneinander gepresst, wodurch eine feste und dauerhafte Verbindung zwischen den Fügepartner entsteht.
Soweit Verbindungsschichten 42 und/oder 41 als Lötverbindungen ausgebildet sind, können die Verbindungsbereiche der oberen Metallisierung 22, der unteren Metallisierung 21 sowie der Bodenplatte 1 eine Oberflächenbeschichtung aufweisen, welche die Lötbarkeit verbessert. Als Materialien für derartige Oberflächenbeschichtungen eignen sich beispielsweise Silber, NiAu, NiPd oder NiPdAu.
Die Metallisierungen 21 und 22 sind fest mit der Unterseite 20b bzw. mit der Oberseite 20t des Isolationsträgers 20 verbunden. Bei dem Isolationsträger 20 kann es sich z. B. um eine Keramik handeln. Als Keramikmaterialien hierfür eignen sich beispielsweise Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumkarbid (SiC), oder Berylliumoxid (BeO). Die Metallisierungen 21 und 22 bestehen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit mehr als 90 Gew% oder zu mehr als 99 Gew% Kupfer. Ebenso können die Metallisierungen 21 und/oder 22 jedoch auch aus CuFe2P oder CuSn6 gebildet sein. Bei dem Substrat 2 kann es sich beispielsweise um ein DCB-Substrat (DCB = Direct Copper Bonding), ein DAB-Substrat (DAB = Direct Aluminium Bonding) oder um ein AMB-Substrat (AMB = Active Metal Brazing) handeln.
Die elektrische Verschaltung des oder der Leistungshalbleiterchips 8 erfolgt zum einen durch die in der oberen Metallisierung 22 des Substrats 2 ausgebildeten Leiterbahnen. Zum anderen können elektrische Anschlussleiter vorgesehen sein, die z. B. als Bonddraht 85 oder als metallische Verschienung 9 mit einer oder mehreren Schienen, als flaches Bändchen (das z. B. ähnlich einem Bonddraht gebondet und während des Bondvorgangs von einer Rolle abgewickelt, gebondet und abschnitten werden kann), oder als vorgefertigtes Verbindungsblech mit etwa rechteckigem Leiterquerschnitt (”Clip”) ausgebildet sein können. Ein Anschlussleiter (hier lediglich beispielhaft der Bonddraht 85) kann beispielsweise an einer Verbindungsstelle 8c auf eine obere Metallisierung eines Leistungshalbleiterchips 8 und/oder an einer Verbindungsstelle 22c auf eine obere Metallisierung 22 eines Substrates 2 gebondet oder gelötet sein. Eine Schiene der Verschienung 9 kann z. B. mit einer oberen Metallisierung eines Leistungshalbleiterchips 8 oder einer oberen Metallisierung 22 eines Substrates 2 durch Löten, Diffusionslöten, Niedertemperatur-Drucksintern oder Ultraschallbonden verbunden werden. Verbindungen zwischen einer Schiene und einer oberen Metallisierung 22 eines Substrates 2 können außerdem auch durch Schweißen hergestellt werden.
Das Leistungshalbleitermodul 100 umfasst weiterhin ein Gehäuse 6 mit einem umlaufenden, ringförmig geschlossenen, elektrisch isolierenden Gehäuserahmen 61, sowie einem optionalen Gehäusedeckel 62. Das Gehäuse 6 kann beispielsweise aus Kunststoff bestehen und im Spritzgussverfahren hergestellt sein. Durch das Gehäuse 6 und die Bodenplatte 1, die aus einem thermisch gut leitenden Material, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium, oder aus einer Legierung mit zumindest einem dieser Metalle besteht, entsteht ein im wesentlichen geschlossener Innenraum, in dem die Leistungshalbleiterchips 8 und das oder die Substrate 2 angeordnet sind.
Um das Leistungshalbleitermodul 100 extern zum Beispiel an eine Stromversorgung, eine Last, eine Steuereinheit usw. anzuschließen, sind Anschlüsse 91, 92, 93, 94 vorgesehen. Die Anschlüsse 91, 92 können zum Beispiel als Stromversorgungsanschlüsse ausgebildet sein und elektrisch und/oder mechanisch mit Abschnitten 221, 222, 223, 224, 225, 226 der oberen Metallisierung 22 verbunden sein. Stromversorgungsanschlüsse können auch im Rahmen des Gehäuses positioniert und mit Bondrähten mit der oberen Substratmetallisierung 22 verbunden sein. Die Anschlüsse 93, 94 können zum Beispiel Steueranschlüsse für einen oder mehrere der Leistungshalbleiterchips 8, oder Ausgangsanschlüsse, an denen Signale ausgegeben werden können, die Informationen betreffend den Status des Moduls 100 bereitstellen.
Über den Leistungshalbleiterchips 8 ist eine optionale gedruckte Leiterplatte (PCB) 95 zum Verschalten interner Treiberanschlüsse vorgesehen. Die gedruckte Leiterplatte 95 kann auch mit Steuerelektronik zum Ansteuern der steuerbaren der Leistungshalbleiterchips 8 ausgestattet sein. Leistungshalbleitermodule, die eine Steuerelektronik enthalten, werden auch als intelligente Leistungsmodule (IPM – Intelligent Power Modules) bezeichnet.
Zur Erhöhung der Isolationsfestigkeit ist das Leistungshalbleitermodul 100 mit einer Vergussmasse 5 vergossen. Die Vergussmasse 5 kann sich in einer vertikalen Richtung v vom Schaltungsträger 2 zumindest bis über die dem Schaltungsträger 2 abgewandte Seite der Leistungshalbleiterchips 8 erstrecken und diese vollständig überdecken. Außerdem kann sie zumindest die Anschlussleiter 85 vollständig oder zumindest teilweise umschließen, die auf die den Schaltungsträgern 2 abgewandten Seiten der Leistungshalbleiterchips 8 gebondet sind, so, dass diese Anschlussleiter 85 an keiner Stelle frei liegen. Sie kann sich außerdem optional bis über die Leiterplatte 95 hinaus und sogar bis über die gegebenenfalls auf der Leiterplatte 95 montierten Bauelemente erstrecken, so dass auch die Leiterplatte 95 und ggf. die Bauelemente vollständig von der Vergussmasse 5 überdeckt und in diese eingebettet sind. Hierdurch werden die in dem Leistungshalbleitermodul verbauten Komponenten sowohl elektrisch isoliert als auch mechanisch stabilisiert. Seitlich neben einem Schaltungsträger 2 kann sich die Vergussmasse 5 außerdem bis zur Bodenplatte 1 erstrecken, wie dies in dem gezeigten Beispiel zwischen den beiden Substraten 2 der Fall ist.
Die Vergussmasse 5 weist nach DIN ISO 2137 bei einer Temperatur von 25°C eine Penetration von kleiner oder gleich 30 und optional von größer oder gleich 10 auf. Sie ist damit wesentlich härter als die üblichen für das Vergießen von Leistungshalbleitermodulen verwendeten Weichvergussmassen, deren Penetration etwa im Bereich von 50 bis 70 liegt. Hierdurch ergibt sich jedoch das Problem, dass beim Betrieb des Leistungshalbleitermoduls 100 aufgrund der hohen Temperaturen und Temperaturwechselbelastungen starke Scherkräfte und Zugkräfte zwischen der Vergussmasse 5 und den Anschlussleitern 9, 85 auftreten. Aufgrund dieser Kräfte verbietet sich der Einsatz einer derart harten Vergussmasse 5 bei herkömmlichen Leistungshalbleitermodulen, da die in herkömmlichen Leistungshalbleitermodulen eingesetzten Anschlussleiter bzw. deren Verbindungen mit einer Oberseite eines Leistungshalbleiterchips und/oder mit einer oberen Substratmetallisierung keine ausreichende Langzeitstabilität aufweisen.
Deshalb ist bei Leistungshalbleitermodulen gemäß der vorliegenden Erfindung die Verwendung von Anschlussleitern 9, 85 vorgesehen, die aus einem der folgenden Materialien bestehen: aus reinem Kupfer, aus wenigstens 90 Gew% Kupfer, aus wenigstens 99 Gew% Kupfer, oder aus wenigstens 99,9 Gew% Kupfer. Materialien mit einem derart hohem Kupferanteil weisen eine signifikant höhere mechanische Stabilität auf als die Anschlussleiter bei herkömmlichen Leistungshalbleitermodulen, die typischer Weise aus Aluminium oder aluminiumbasierten Legierungen bestehen. Durch die Verwendung der genannten kupferbasierten Materialien kann zumindest bei solchen Anschlussleitern 9, 85, die an mechanisch besonders neuralgischen Stellen des Leistungshalbleitermoduls angeordnet oder angeschlossen sind – trotz des Einsatzes einer diese Anschlussleiter 9, 85 kontaktierenden oder umschließenden harten Vergussmasse 5 – eine ausreichende mechanische Dauerstabilität von den Anschlussleitern 9, 85 selbst und/oder von deren Verbindungsstellen beispielsweise mit einer Chipoberseite 8t oder einer oberen Substratmetallisierung 22 erreicht werden.
Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass alle Anschlussleiter 9, 85 des Leistungshalbleitermoduls 100, die an Verbindungsstellen 8c mit einer Chipoberseite 8t verbunden sind und die zumindest an diesen Verbindungsstellen 8c von der Vergussmasse 5 bedeckt sind, aus einem der folgenden Materialien bestehen: aus reinem Kupfer, aus wenigstens 90 Gew% Kupfer, aus wenigstens 99 Gew% Kupfer, oder aus wenigstens 99,9 Gew% Kupfer. Da die höchsten Temperaturen des Leistungshalbleitermoduls 100 im Bereich der Leistungshalbleiterchips 8 auftreten, lassen sich durch diese Maßnahme signifikante Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Modulen erzielen.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn das gesamte Leistungshalbleitermodul 100 keine von der Vergussmasse 5 ganz oder zumindest teilweise bedeckten Anschlussleiter 9, 85 aufweist, die aus einem anderen als einem der folgenden Materialien bestehen: aus reinem Kupfer, aus wenigstens 90 Gew% Kupfer, aus wenigstens 99 Gew% Kupfer, oder aus wenigstens 99,9 Gew% Kupfer. Diese Verbesserungen wirken sich in besonderem Maße dann vorteilhaft aus, wenn die Leistungshalbleiterchips 8 im Schaltwechselbetrieb eingesetzt werden, wie dies z. B. bei Umrichtern der Fall ist. Im Schaltwechselbetrieb werden die Leistungshalbleiterchips 8 hochfrequent abwechselnd aufeinander folgend ein- und ausgeschaltet, so dass starke und schnell wechselnde Temperaturschwankungen auftreten, was vor allem die auf die Verbindungsstellen 8c an den Chipoberseiten, aber auch die auf die Verbindungsstellen 22t an der oberen Substratmetallisierung 22 wirkenden Temperaturwechselbelastungen weiter erhöht.
Andererseits ist es nicht wünschenswert, dass die Vergussmasse 5 sehr hart eingestellt ist, da es dann wiederum zu starken thermomechanischen Spannungen zwischen der Vergussmasse 5 und insbesondere den Anschlussleitern 9, 85 kommen kann. Es kann daher vorteilhaft sein, wenn die Vergussmasse 5 nach DIN ISO 2137 bei einer Temperatur von 25°C eine Penetration von größer oder gleich 10 besitzt.
Bei der Vergussmasse 5 kann es sich beispielsweise um ein Silikongel, oder ein Silikonharz oder ein Epoxidharz handeln. Sie kann als ein-, zwei- oder mehrkomponentiger Vergusswerkstoff ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Vergussmasse 5 als zweikomponentiges Phenylsilikongel mit internem Haftvermittler ausgebildet sein. Die Penetration des Vergusses kann z. B. durch Variation des Mischungsverhältnisses der beiden Komponenten von härter zu Harz eingestellt werden.
Der Betrieb eines solchen Leistungshalbleitermoduls 100 kann so erfolgen, dass zumindest einer der Leistungshalbleiterchips 8 für eine Dauer von wenigstens 20 Sekunden bei einer Sperrschichttemperatur von nicht weniger als 150°C oder für eine Dauer von wenigstens 10 Sekunden bei einer Sperrschichttemperatur von nicht weniger als 160°C betrieben wird. Insbesondere, wenn ein Leistungshalbleiterchip 8 für eine Dauer von wenigstens 10 s bei einer Sperrschichttemperatur von nicht weniger als 175°C betrieben wird, kann es vorteilhaft sein, wenn ein an diesen Leistungshalbleiterchip 8 gebondeter Bonddraht 85 aus reinem Kupfer oder zu wenigstens 99,9 Gew% aus Kupfer besteht.
Die 2 bis 4 zeigen jeweils einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines mit einer Vergussmasse 5 vergossenen Leistungshalbleitermoduls 100. Das Modul 100 weist wenigstens einen Leistungshalbleiterchip 8 auf, der als vertikaler Leistungshalbleiterchip ausgebildet ist, und der einen Halbleiterkörper 80 umfasst, eine untere Chipmetallisierung 81, die an der dem Substrat 2 zugewandten Seite des Leistungshalbleiterchips 8 angeordnet ist, und eine obere Chipmetallisierung 82, die an der dem Substrat 2 abgewandten Seite des Leistungshalbleiterchips 8 angeordnet ist. Ergänzend zu den gezeigten Chipmetallisierungen 81, 82 zwischen dem Halbleiterkörper 20 und der betreffenden Chipmetallisierung 81, 82 noch eine oder mehrere optionale Metallisierungsschichten, z. B. als Diffusionsbarrieren, vorgesehen sein. Ebenso können auf den dem Halbleiterkörper 80 abgewandten Seiten der gezeigten Chipmetallisierungen 81, 82 noch eine oder mehrere weitere optionale Metallisierungsschichten vorgesehen sein, beispielsweise um die Lötbarkeit zu verbessern oder um eine Oxidation der betreffenden Chipmetallisierung 81, 82 zu verhindern.
Um den Leistungshalbleiterchip 8 oberseitig elektrisch anzuschließen, ist die obere Chipmetallisierung 82 an einer Verbindungsstelle 8c mit einem Anschlussleiter 85 elektrisch leitend verbunden. Als Verbindungstechniken eignen sich hierzu beispielsweise Ultraschallbonden, Löten, Niedertemperatur-Drucksintern oder elektrisch leitendes Kleben. Der Anschlussleiter 85 und die obere Chipmetallisierung 82 sind zumindest im Bereich der Verbindungsstelle 8c in die Vergussmasse 5 eingebettet.
Da die Vergussmasse 5 nach DIN ISO 2137 bei einer Temperatur von 25°C eine Penetration von 10 bis 30 aufweist, ist es erforderlich, dass wegen der eingangs erläuterten Problematik erforderlich, dass die Verbindung eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist. Um diese Stabilität zu erreichen, ist es vorgesehen, dass die obere Chipmetallisierung 82 aus Kupfer besteht oder zumindest Kupfer aufweist und dass sie eine Dicke von wenigstens 1 μm aufweist. Die obere Chipmetallisierung 82 kann beispielsweise auch überwiegend, d. h. zu mehr als 50 Gew%, aus Kupfer bestehen. Außerdem besteht der Anschlussleiter 85 aus einem der folgenden Materialien: aus reinem Kupfer, aus wenigstens 90 Gew% Kupfer, aus wenigstens 99 Gew% Kupfer, oder aus wenigstens 99,9 Gew% Kupfer.
In 2 ist der Anschlussleiter 85 als Bonddraht ausgebildet, in 3 als Clip oder Bändchen, und in 4 als externe Anschlusslasche oder als Teil einer internen Verschienung des Moduls 100. Anstelle von nur einem Anschlussleiter können auch zwei oder mehr Anschlussleiter in beliebigen Kombinationen miteinander an weiteren, auf der oberen Chipmetallisierung 82 befindlichen Verbindungsstellen 8c der oberen Chipmetallisierung 82 elektrisch leitend verbunden sein, z. B. um die für den Leistungshalbleiterchip 8 erforderliche Stromtragfähigkeit zu erreichen.
Unabhängig davon, ob die obere Chipmetallisierung 82 mit nur einem oder mehreren Anschlussleitern 85 angeschlossen ist, kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Summe der Leiterquerschnitte aller Anschlussleiter 85, die an jeweils einer oberhalb der oberen Chipmetallisierung 82 befindlichen Verbindungsstelle 8c mit der oberen Chipmetallisierung 82 verbunden sind, wenigstens 0,75 mm² beträgt.
5 zeigt eine Draufsicht auf ein anderes Leistungshalbleitermodul 100 vor dem Vergießen mit einer Vergussmasse. Der Gehäusedeckel ist noch nicht auf den Gehäuserahmen 61 aufgesetzt. Das Modul 100 umfasst beispielhaft drei Substrate 2, von denen zwei mit Leistungshalbleiterchips 8 bestückt sind. Wie in dieser Ansicht zu erkennen ist, können Bonddrähte 85 nicht nur zwischen Leistungshalbleiterchips 8 und Leiterbahnen 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227 der oberen Metallisierungen 22 der Substrate 2 vorgesehen sein, sondern auch zwischen Leiterbahnen 226, 224, 225, 227 und im Gehäuseinneren befindlichen Abschnitten von Außenanschlüssen 91, 92, 93 bzw. 94. Nach dem Herstellen aller modulinternen Verbindungen kann das Modul mit einer Vergussmasse vergossen werden, die dieselben Eigenschaften aufweist und aus denselben Materialien oder Materialzusammensetzungen bestehen kann wie die anhand von 1 erläuterte Vergussmasse 5.
Die vorliegende Erfindung wurde beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Grundsätzlich umfasst die Erfindungen jedoch auch andere Beispiele, die den erläuterten Prinzipien genügen. Zum Beispiel ist die Erfindung nicht auf Leistungshalbleitermodule beschränkt, die eine metallische Bodenplatte 1 aufweisen. Sie lässt sich auch bei so genannten ”bodenplattenlosen” Modulen einsetzen, bei denen die Unterseite des Moduls im wesentlichen nicht durch eine Bodenplatte 1 sondern durch einen oder mehrere Schaltungsträger 2 gebildet wird.

Claims

Leistungshalbleitermodul mit – einem Schaltungsträger (2), der einen Isolationsträger (20) mit einer Oberseite (20t) umfasst, auf der eine Metallisierungsschicht (22) angeordnet ist; – einem Leistungshalbleiterchip (8), der auf der dem Isolationsträger (20) abgewandten Seite der Metallisierungsschicht (22) auf dem Schaltungsträger (2) angeordnet ist, und der auf seiner dem Schaltungsträger (2) abgewandten Oberseite (8t) eine obere Chipmetallisierung (82) aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung mit einer Dicke (d82) von größer oder gleich 1 μm aufweist; – einem elektrischen Anschlussleiter (85) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, der an einer Verbindungsstelle (8c) mit der oberen Chipmetallisierung (82) verbunden ist; – einer Vergussmasse (5), die – sich vom Schaltungsträger (2) zumindest bis über die dem Schaltungsträger (2) abgewandte Seite des Leistungshalbleiterchips (8) erstreckt und diese vollständig überdeckt; – den Anschlussleiter zumindest im Bereich der Verbindungsstelle (8c) umschließt; – nach DIN ISO 2137 bei einer Temperatur von 25°C eine Penetration von kleiner oder gleich 30 aufweist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, bei dem der Anschlussleiter (85) aus reinem Kupfer, zu wenigstens 90 Gew% aus Kupfer, zu wenigstens 99 Gew% aus Kupfer oder zu wenigstens 99,9 Gew% aus Kupfer besteht.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Anschlussleiter (85) als Bonddraht ausgebildet ist.
Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Anschlussleiter (85) als Bändchen oder als metallischer Clip ausgebildet ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Vergussmasse (5) aus einem der folgenden Vergusswerkstoffe gebildet ist: – einem einkomponentigen Vergusswerkstoff; – einem zweikomponentigen Vergusswerkstoff; – einem Silikongel; – einem zweikomponentigen Phenylsilikongel mit internem Haftvermittler; – einem Silikonharz; – einem Epoxidharz.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Isolationsträger (20) als Keramikplättchen ausgebildet ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Anschlussleiter (85) und jeder weitere Anschlussleiter des Leistungshalbleitermoduls, der zumindest teilweise von der Vergussmasse (5) bedeckt ist, aus einem der in Anspruch 2 genannten Materialien gebildet ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Vergussmasse (5) nach DIN ISO 2137 bei einer Temperatur von 25°C eine Penetration von größer oder gleich 10 aufweist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Anschlussleiter (85) an der Verbindungsstelle (8c) an die dem Schaltungsträger (2) abgewandte Seite des Leistungshalbleiterchips (8) gebondet oder gelötet oder elektrisch leitend geklebt ist.
Leistungshalbleitermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein oder mehrere Anschlussleiter (85) vorgesehen sind, von denen jeder an jeweils einer an einer oberhalb der oberen Chipmetallisierung (82) befindlichen Verbindungsstelle (8c) elektrisch leitend an die dem Schaltungsträger (2) abgewandte Seite des Leistungshalbleiterchips (8) gebondet oder gelötet oder elektrisch leitend geklebt ist, wobei die Summe der Leiterquerschnitte aller dieser Anschlussleiter (85) wenigstens 0,75 mm² beträgt.
Verfahren zum Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls, das gemäß einem der vorangehenden Ansprüche ausgestaltet ist, und bei dem der Leistungshalbleiterchip (8) für eine Dauer von wenigstens 20 Sekunden bei einer Sperrschichttemperatur von nicht weniger als 150°C betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Leistungshalbleiterchip (8) für eine Dauer von wenigstens 10 Sekunden bei einer Sperrschichttemperatur von nicht weniger als 160°C betrieben wird.